"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
При полном сгорании топливо отдаёт энергию: его внутренняя энергия превращается в теплоту, которую можно передать другим телам. Сколько теплоты выделится, зависит от вида и массы топлива. Свойство топлива описывает удельная теплота сгорания q — энергия, выделяемая при сгорании одного килограмма. Зная q и массу топлива, находят количество теплоты по формуле Q = qm. Эта связь помогает сравнивать топливо и оценивать энергию для нагревателей и тепловых двигателей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергия топлива — энергия, выделяющаяся при его полном сгорании. Полное сгорание означает, что топливо прореагировало с кислородом настолько, насколько это возможно в данных условиях. Эту энергию оценивают по массе топлива и его удельной теплоте сгорания. Такое описание позволяет сравнивать разные количества топлива и рассчитывать, сколько энергии может дать его сжигание.
Удельная теплота сгорания топлива — количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Её обозначают буквой q, а единица измерения — джоуль на килограмм (Дж/кг). Слово «удельная» здесь указывает на расчёт для единицы массы. Значение q помогает сравнивать виды топлива независимо от того, сколько именно топлива взяли.
Количество теплоты при сгорании топлива обозначают Q и находят по формуле Q = qm, где m — масса сгоревшего топлива. Q измеряется в джоулях, если q выражено в Дж/кг, а m — в килограммах. Эта величина относится уже ко всей указанной массе топлива, а не к одному килограмму. Из формулы можно найти любую неизвестную величину: Q = qm, q = Q/m или m = Q/q.
В топливе запасена внутренняя энергия — энергия, связанная с частицами вещества. При горении происходят химические превращения, и часть этой энергии высвобождается. Она может нагревать продукты сгорания, окружающий воздух и соприкасающиеся с ними тела. Поэтому при сгорании топливо становится источником теплоты для нагревания.
Удельная теплота сгорания характеризует именно вид топлива. У разных веществ различаются состав и энергия, высвобождаемая при химических превращениях. Из-за этого равные массы, например дров и бензина, при полном сгорании дают разное количество теплоты. Сравнить их можно по значениям q: большее значение означает, что один килограмм этого топлива выделяет больше энергии.
Если вид топлива не меняется, то q остаётся постоянной величиной, а количество выделяемой теплоты зависит от массы. Удвоили массу — вдвое увеличили количество теплоты; уменьшили массу в три раза — во столько же раз уменьшилось бы и Q. Причина в том, что каждый килограмм данного топлива даёт одинаковую долю общей энергии. Поэтому зависимость количества теплоты от массы является прямо пропорциональной.
Формула Q = qm получается из смысла q: один килограмм выделяет q джоулей, а m килограммов — в m раз больше. При умножении единиц Дж/кг на кг килограммы сокращаются, и остаются джоули, как и должно быть для Q. Если известны Q и m, деление Q на m даёт энергию на один килограмм, то есть q. Если известны Q и q, деление Q на q показывает, сколько килограммов топлива сгорело.
Значения удельной теплоты сгорания для разных видов топлива приводят в таблицах. По таблице находят q, затем подставляют его в формулу вместе с массой топлива. В реальном нагревателе не вся выделившаяся энергия попадает к нужному телу: часть уходит на нагрев деталей и окружающего воздуха. Значит, расчёт по Q = qm показывает выделившуюся теплоту, но не всегда полезную энергию устройства.
| Топливо | Удельная теплота сгорания q, Дж/кг | Теплота при сгорании массы m, Дж |
|---|---|---|
| Дрова (сухие) | 1,0·10⁷ | 1,0·10⁷ · m |
| Каменный уголь | 2,7·10⁷ | 2,7·10⁷ · m |
| Бензин | 4,6·10⁷ | 4,6·10⁷ · m |
| Природный газ (значение на 1 кг) | 5,0·10⁷ | 5,0·10⁷ · m |
| Формула для выбранного топлива | q — значение из таблицы | Q = qm |
Сначала выберите нужный вид топлива и прочитайте значение q в средней колонке. Затем умножьте его на массу m в килограммах, чтобы получить Q в джоулях. Значения в таблице приблизительные, поэтому для точного расчёта используют данные, указанные в конкретной задаче.
При полном сгорании 0,5 кг топлива выделилось 15 МДж теплоты. Найдём удельную теплоту сгорания. Сначала нужно выразить q из формулы Q = qm и перевести мегаджоули в джоули, потому что ответ требуется в Дж/кг.
Деление на массу показывает, сколько энергии приходится на один килограмм топлива. Единицы также проверяются: джоули, поделённые на килограммы, дают Дж/кг. Ответ: q = 3·10⁷ Дж/кг.
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 2 кг топлива, если q = 4,4·10⁷ Дж/кг? Здесь известны обе величины, необходимые для расчёта Q. Масса дана в килограммах, поэтому дополнительный перевод единиц не требуется.
При умножении Дж/кг на кг единицы массы сокращаются, и остаются джоули. Полученное значение больше теплоты, выделяемой одним килограммом, потому что сгорает два килограмма топлива. Ответ: Q = 8,8·10⁷ Дж.
Сколько сухих дров потребуется сжечь, чтобы получить 8,0·10⁷ Дж теплоты, если q = 1,0·10⁷ Дж/кг? Требуется найти массу, поэтому формулу нужно преобразовать так, чтобы m осталась одна. Проверим также, разумен ли результат: нужная энергия в восемь раз больше энергии от одного килограмма дров.
Единицы подтверждают результат: Дж, делённые на Дж/кг, дают кг. Восемь килограммов дров выделят в восемь раз больше теплоты, чем один килограмм, что согласуется с условием. Ответ: потребуется сжечь 8 кг сухих дров.
Первая ошибка — путать удельную теплоту сгорания q с количеством теплоты Q. q относится к одному килограмму топлива, а Q — ко всей сгоревшей массе, поэтому их единицы различаются: Дж/кг и Дж. Такое смешение возникает из-за похожих названий величин. Проверка: посмотрите, какая величина спрашивается, и сверяйте единицу ответа.
Вторая ошибка — подставлять массу в граммах, хотя q задано в Дж/кг. Тогда число массы оказывается в тысячу раз больше, чем масса в килограммах, и результат получается неверным. Это часто случается, если пропустить перевод единиц. Перед вычислением переведите граммы в килограммы: например, 500 г = 0,5 кг.
Третья ошибка — записывать Q = q/m вместо Q = qm или неправильно выражать неизвестную величину. При делении q на m не получается энергия, выделенная всей массой топлива. Ошибка может появиться, если формулу преобразуют наугад. Подставьте единицы: (Дж/кг) · кг = Дж, а затем проверьте, что результат соответствует искомой величине.
Четвёртая ошибка — считать, что вся энергия сгорания обязательно передаётся нужному телу. В действительности часть теплоты нагревает воздух и детали устройства, поэтому полезная энергия может быть меньше Q. Полагают, что весь процесс происходит без потерь, хотя это верно только для идеализированного расчёта. Уточните, спрашивается ли выделившаяся теплота или энергия, полученная потребителем.
Для понимания сгорания топлива нужны знания о внутренней энергии и способах её изменения. При горении внутренняя энергия топлива высвобождается, а передача энергии другим телам связана с количеством теплоты. Поэтому формула Q = qm применяет уже знакомое понятие теплоты к конкретному источнику энергии.
Эта формула пригодится в задачах о топливе, тепловых двигателях и бытовых нагревательных устройствах. Она позволяет оценить, сколько теплоты может выделиться при сгорании известной массы, или определить требуемую массу топлива. Однако для реального устройства нужно учитывать, какая доля теплоты будет полезной.
Связь с законом сохранения энергии помогает различать выделившуюся теплоту и энергию, переданную потребителю. Энергия не исчезает: часть может перейти к окружающему воздуху и деталям прибора. Поэтому при оценке полезной работы учитывают потери и не приравнивают автоматически Q к энергии, полученной нужным телом.
Что показывает удельная теплота сгорания топлива?
Она показывает, сколько теплоты выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива. Обозначается буквой q и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Почему разные виды топлива при сгорании одинаковой массы выделяют разное количество теплоты?
У разных топлив разный химический состав и разное количество энергии, которое может высвободиться при сгорании. Поэтому их удельные теплоты сгорания неодинаковы.
Как найти количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива?
Нужно умножить удельную теплоту сгорания топлива на его массу: Q = qm. Массу подставляют в килограммах, тогда результат получится в джоулях.
В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания?
Удельную теплоту сгорания измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг). Эта единица показывает количество энергии, выделяемой при сгорании одного килограмма топлива.
Почему количество выделившейся теплоты не всегда равно полезной энергии, полученной устройством?
Часть теплоты может нагреть окружающий воздух и детали устройства, а не нужное тело. Поэтому полезно переданная энергия обычно меньше всей энергии, выделившейся при сгорании.
§ 9. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания топлива
